1、基于 abaqus 的结构多尺度模型分析方法在钢桁架浮拖架设施工监控分析中的应用摘要 目前，土木工程领域中大部分结构分析还停留在单一尺度上，这无疑给问题的精度或计算量带来很大的挑战。本文针对桥梁施工中钢桁架浮拖架设施工监控分析的有限元分析的需要，从简单的二维理论分析以及基于大型有限元软件 abaqus 简单阐述多尺度模型分析方法。最后采用结构多尺度模型分析方法验算了钢桁架浮拖施工过程局部支承处钢结构的局部应力和稳定是否满足安全要求。 中图分类号： TU7 文献标识码： A 1.引言 基于实体单元的精细分析，虽然可以较好把握结构的局部破坏过程，但由于目前计算能力的限制，实际复杂结构完全依赖于实体
2、单元的精细模型是不现实的。因此，目前工程计算需要提出一个能够接受的计算量，又可以反映结构局部构件的损伤和稳定的计算模型。多尺度计算模型就是其有效的解决途径。 多尺度模拟和计算是一个正在迅速发展的热点与前沿研究领域，特别是在多物理领域(如：材料学科、化学、流体力学等领域),即不同尺度下的过程和现象是由不同特征的物理定律支配的1。简单而言，土木工程中的结构多尺度模型就是：对于有限个需要重点关注的局部细节采用“小尺度”,而结构其他部分采用“大尺度” 。 在不同研究领域中，多尺度计算模型的构造方法大致可分为尺度分离和尺度间耦合两种,前者着眼于在分析对象的不同部分采用不同尺度,后者着眼于寻找宏观与微观之
3、间的联系。大型的土木工程中，根据结构中力的传递复杂程度和结构的破坏过程中非线性程度，有针对性的选择不同的单元模型，并满足不同尺度单元之间力和变形协调条件。 2.多尺度模型理论简介 结构多尺度的模拟的关键是不同尺度单元之间的连接处理，从而满足单元间力传递的合理性和变形的协调性。实际上，不同尺度单元的连接可以分为：梁单元与壳单元、梁单元与实体单元、壳单元与实体单元，并且它们的连接原理基本相同。不同尺度单元节点之间的连接可以根据变形的协调或力的平衡处理。经过比较力的平衡处理是较理想的不同尺度单元节点之间的连接处理方式。 运用力的平衡处理连接依然是遵循平截面假定原则，如图 1。梁单元节点 B 内力 P
4、(P=N,M,QT)，实体单元节点 Si 的内力 Fi(Fi=Fix,FizT)。当梁单元主动变形时，实体单元节点位移可由等式得；反之，当实体单元主动变形时，梁单元节点 B 位移可实体单元界面上的所有节点决定，即可由等式得。 图 1 在外力作用下不同尺度模型界面节点反力关系 其中 A 为梁截面面积，Ai 为实体单元节点 Si 的影响面积，I 为梁截面形心轴方向惯性矩。 ， 、分别为实体单元节点、梁单元节点的 Z 轴向坐标。 其中 h 为梁在 Z 轴方向的高度，其他同上。 3. 结构多尺度在钢桁架浮拖架设施工监控分析中的应用 3.1 工程背景 主桥采用计算跨径为 102.2m 单跨简支钢桁梁，两
5、侧引桥分别采用215.55m 和 16.45+16.5+16.5+16.45m 支架现浇混凝土箱梁，主桥主桁采用带竖杆的华伦式三角形腹杆体系，节间长度 7.3m，主桁高度 11m，高跨比为 1/9.29。两片主桁主心距采用 13.45m，宽跨比为 1/7.60，桥面宽度 12.25m，如图 2。 图 2 主桁立面图（单位：cm） 3.2 施工流程 主桥主要的施工流程如下： 施工步骤 1 主桁架前 10 间节在临时支墩上拼装完毕后，在主桁架下弦底部安装上滑道，然后沿着托架浮拖，直至 E2 节点（第 3 个节点）到达浮船中心线，如图 3 a) 支架上拼装 b) 主桁架托梁至浮船 图 3 施工步骤
6、1 施工步骤 2 钢梁正好越过浮船支墩中心两个节间并停止拖拉后，浮船排水，浮船支墩在 E2 节点处承托钢梁，将前拖船及中拖船滚杠抽去，钢梁处于简支状态，如图 4。 施工步骤 3 钢梁拖拉到位后，浮船慢慢压水，钢梁前端慢慢落在临时钢支墩上，后四节钢梁在桥位上直接采用支架进行对接拼装，如图 5。 图 4 施工步骤 2 图 5 施工步骤 3 施工步骤 4 主桁架后 4 节间拼装完毕后，进行落梁，落梁的支墩布置如图 6 图 6 施工步骤 4 3.3 本文施工监控分析关键点 本桥主桁跨达 102.2m，整体在浮拖过程中为多次超静定结构，且带有悬臂部分，而且整个施工过程要经过支架拼装、浮拖、拼装、落梁。主
7、梁的内力、线形及结构整体与局部构件稳定特性都会随施工的进展而不断变化（整体钢桁架支撑点位置不断的变化） 。本文对施工过程中局部应力进行精细化计算分析，计算模型如图 7、图 8，模型对结构存在局部支撑部位采用精细化模拟，其它构件采用梁单元模型。根据计算结果可以发现局部应力超标现象，并采取相应措施对局部部位进行加强，确保桥梁在整个施工工程结构满足设计、规范要求。 图 7 浮拖过程中计算模型 图 8 落梁过程中计算模型 4. 结论 （1）在相对较少的计算量中，多尺度模型能量更精确地分析局部受力情况。 （2）多尺度模型能满足复杂荷载、复杂边界条件下（如地震荷载作用下） ，局部受力分析。 （3）大型土木
8、结构多尺度模拟和分析所关注尺度范围是从细观到百米甚至千米级结构尺度，因此多尺度模型更能适应于土木工程局部受力分析。 5. 参考文献 1 吴佰建,李兆霞,汤可可.大型土木结构多尺度模拟与损伤分析从材料多尺度力学到结构多尺度力学J.力学进展,2007,37(3):321-336. 2 孙正华，李兆霞，陈鸿天等. 考虑局部细节特性的结构多尺度模拟方法研究J. 特种结构，2007, 24(1):71-75. 3 王金昌，陈开页，ABAQUS 在土木工程中的应用M.浙江：浙江大学出版社 4 ABAQUS theory manual, 5.2.1Contact pressure definitionM. ABAQUS, Inc, 2009
